有机污染场地生物修复技术挑战与展望

　　摘　要：中国大中城市化工企业的大规模搬迁，致使大量工业污染场地遗留在城市周边。研发高效和成本低廉的修复技术，对于实现我国工业污染场地的绿色可持续发展具有重要意义。通过对现有物化和生物修复技术进行综述，指出生物技术在有机污染场地修复中的重要性，并从土壤环境和微生物两方面，分别总结了当前有机污染场地修复面临的挑战，并在高效、持久、稳定的菌剂和酶制剂，以及具有协同效应的生物修复助剂与微生物菌剂配合使用等方面，对有机污染场地生物修复技术研发提出建议。

　　关键词：有机污染场地;生物修复;菌剂;酶

　　作为城市建设的自然基础，城市土壤对人类社会的生存和发展至关重要。然而，随着全球工业化进程的加快，土壤有机污染问题愈演愈烈。欧美国家较早地发现了“棕地”的危害，并积极展开一系列修复工作[1]。在中国，自上世纪90年代起，大中城市的化工企业开始大规模关闭与搬迁，在城市及周边地区遗留了数量庞大的有机污染场地。

　　这些场地中滞留的有机污染物(如多环芳烃、石油烃、卤代烃等)对城市局部土壤和地下水生态系统造成了严重破坏。同时，如果该土壤未经处理直接用于其他建设中，对人体健康和城市发展造成严重威胁[2-3]。近几十年，有机污染场地的修复工作在国内引起了人们的广泛关注[4]。

　　我国在2005年—2013年间首次开展了全国土壤污染状况调查，并于2014年发布了《全国土壤调查状况公报》，结果不容乐观，其中工矿业废弃场地受有机污染问题较为突出[5]。随后，国务院于2016年印发的《土壤污染防治行动计划》[6]，2019年，《中华人民共和国土壤污染防治法》正式实施，为我国有机污染场地修复奠定了坚实的法律保障[7]。欧美国家较早地发现了土壤污染的危害，并积极展开了系列修复工作，在场地修复技术研究和应用方面积攒了几十年的经验[1]。

　　目前，如气相抽提技术、固化/稳定化技术、原位化学氧化技术、电动修复技术、热处理技术等物理化学修复技术已经得到广泛应用，并取得良好效果，但这类技术应用成本较高，其应用潜力有待商榷。而生物修复由于成本低、扰动小等特点逐渐取代物理化学修复技术成为了目前研究的主流趋势[8]。本文对现有的物理、化学、生物修复技术的研究进展进行了概述，重点介绍了生物修复技术，讨论了影响修复效果的可能因素，分析了当前有机场地修复所面临的挑战，并从酶-菌固定化、生物修复助剂、以及地下水缓释修复剂3个方面对有机污染场地修复及其应用前景进行了展望。

　　1有机污染场地修复技术

　　目前，针对工业污染场地的修复技术可分为三大类：物理修复(physical remediation)、化学修复(chemical remediation)和生物修复(bioremediation)，通过web of science数据库对2016年—2020年发表的关于修复有机工业污染场地(organic contaminatedsite)的文章发表数量进行检索，共检索到文献545篇。其中，化学修复技术在近5年的发表文章数量中占比33.33%，物理修复技术占比为16.67%，生物修复技术占比为50%。

　　1.1 物理修复技术和化学修复技术

　　近年来工农业活动增加，合成有机物排放量随之同步增长，环境问题日益突出，许多物理修复技术和化学修复技术广泛应用在有机污染场地修复工作中，但是随之也产生了高成本、难度大等技术障碍。淋洗修复技术在处理溢油污染事件中具有明显优势，可以紧急应对突发污染事件[9]。土壤中的苯系、氯代芳香族化合物等有机物的去除可采用原位化学氧化技术(in-situ chemical oxidation, ISCO)，在场地投加氧化剂并在碱性条件下进行原位化学氧化修复，处理效果良好[10-11]。

　　而加入表面活性剂的强化电动修复技术[12]、热处理技术[13]对于有机污染物的去除也具有良好的处理效果。另外对挥发性有机化合物，多采用气相抽提技术(soil vapor extraction，SVE)，可有效促进其挥发[14]。除了对污染物进行去除，还可以通过固化/稳定化技术降低污染物质在环境介质中的活泼性，从而避免污染物质对环境产生危害[15]，上海某工业污染场地利用该技术进行现场修复，证明该技术对土壤及地下水中的重金属和有机污染物具有显著的降解潜力[16]。尽管这些技术处理效果良好，但是处理过程中添加大量化学药剂造成的高成本、潜在二次污染以及高能耗问题使其推广应用受到一定限制。传统的物理化学方法已应用于有机污染场地的修复工程中。

　　1.2 生物修复技术

　　1.2.1 动植物修复技术

　　动物修复技术中最常用的动物是蚯蚓，它们能够在高浓度有机污染土壤中生存，且可以通过促进土壤微生物扩散的方式，强化有机物的降解[18-20]。此外，它们还能够通过摄取、消化、排泄等活动提高有机污染物的生物可利用度，该方法能明显提高多环芳烃降解菌数量、土壤中生物酶活性以及生物多样性[21]。

　　植物修复对土壤的扰动很小并且可以有效防止土壤侵蚀。植物可通过吸收、降解、固定、转化和挥发等作用实现对污染场地土壤的有效修复。目前，该方面研究主要集中在植物对土壤酶活性、根际微生物数量和群落结构的影响等方面[22-23]。因其成本较低，相较于其他污染场地土壤修复技术具有较大的潜能[24]。但该技术同样存在修复时间长、效率低的劣势;另外，植物所能触及到的土壤范围不大，在实际应用中容易受到限制。因此，将植物与微生物或动物进行联合修复更具有应用前景[25-26]。如蚯蚓-凤仙花/紫茉莉/西伯利亚鸢尾联合修复石油烃污染场地，其修复效果显著高于单独的动物或植物修复，同时过氧化氢酶、多酚氧化酶的活性均显著提高[27]。另有研究发现，根瘤菌-植物联合修复有机污染土壤能显著提高土壤脱氢酶活性和修复效果[28-29]。

　　1.2.2 微生物修复技术

　　通过生物强化和生物刺激两种方式，使得土壤中有毒有害物质被吸收、降解、转化、去除的过程称为微生物修复[30-31]。目前，修复有机污染场地的微生物主要分为细菌、真菌两大类。研究发现，假单胞菌、芽孢杆菌、侧耳菌等广泛存在于有机污染场地中，经生物刺激和生物强化后对石油烃、氯代烃和多环芳烃等有机污染物具有较好的降解效果。

　　1.2.2.1 细菌修复技术

　　污染物进入土壤后会改变土壤的理化性质，短期内不利于土著微生物的生存;其中细菌的种类和数量最多。细菌在有机污染场地的修复过程中起着至关重要的作用。细菌降解有机物的过程往往以有机污染物作为碳源，通过细菌胞内加氧酶的作用，促进有机污染物的降解。目前发现的可降解有机污染物的细菌种类繁多，细菌种类不同，对于有机污染物的降解能力也会不同，其中假单胞菌是降解能力最强、降解范围最广的菌属[53-54]。研究发现，假单胞菌以葡萄糖为碳源，对四溴双酚A的降解效率高达90%[55]。细菌降解有机物的速率与有机物的结构复杂程度成反比。

　　现已证实，细菌对低环多环芳烃的降解效果较好，对高环多环芳烃降解效果欠佳[45]。细菌修复技术因为菌体活性好、降解速率高、竞争能力强、易适应新环境等优点，在污水生物处理、堆肥等工程中得到了广泛应用。但我国工业废弃场地污染越发趋于复合化，多种有机物并存，仅利用某一种或某一类有机物作为碳源进行降解的细菌不具有广谱性，不再具备绝对优势。

　　1.2.2.2 真菌修复技术

　　有研究表明，土壤有机污染物的降解过程中实际是真菌在发挥主导作用。主要因为有机物较强的疏水性会使其被牢牢吸附在土壤颗粒上，生物可利用性极低。但是真菌菌丝可以扩大土壤之间的间隙，从而使得有机污染物的暴露几率大大增加，降解效率也随之增加。 真菌独特优势在于其生理特性与细菌有着明显的差异。首先，真菌菌体是丝状生长，在土壤中能形成菌丝网络，并通过产生胞外酶或自由基，主动接近并吸附在土壤中的有机污染物上，且具有一定的广谱性[56];其次，真菌的胞外酶的底物范围非常广，可以攻击多环芳烃、石油烃和卤代烃等多种典型有机污染物;同时，真菌的存在也有利于提高土壤中其他细菌和植物根系的协同修复能力[57]。

　　微生物间的相互作用或共代谢是微生物修复的常用方法[58]。从受多环芳烃污染场地中分离出的真菌子囊菌T. longibrachiatum与土著细菌鞘氨醇单胞菌协同修复菲污染土壤，比单独真菌或细菌降解效果均显著提高，并能提高土著菌群的生物多样性和物种丰富度[49]。目前发现的用于降解有机污染物的真菌已经超过100种，其中白腐真菌具有广谱性，能够对多种有机污染物进行彻底矿化。因此，研发将其用于受多环芳烃、卤代烃和石油烃等有机污染场地的修复技术成为研究热点。常见的降解有机污染物的白腐真菌主要分布在担子菌门、子囊菌门和毛霉菌亚门中[59]。其中，子囊菌也是最为常见的土壤真菌，适合在土壤环境中进行应用。

　　1.3 联合修复技术

　　1.3.1 物化与生物联合修复技术

　　物化修复技术高效且易于应用，但成本高昂;而生物修复虽无二次污染且成本低，但其修复时间较长，缺乏实际场地应用的探究。因此，将二者结合，可有效解决当前中国有机污染场地修复的技术难题。德国下萨克森州实地研究发现，在向受四氯乙烯污染的含水层中注入胶体活性炭和嵌入的纳米级零价铁的复合材料可起到积累污染物，并为微生物提供良好的生存环境，促进其还原脱氯的效果[60]。近年来，利用纳米材料与生物修复相结合，加速有机污染物从去除的应用研发较多[61-62]。近期研究发现，通过电生物刺激和生物强化联合修复可同时降解多环芳烃和卤代芳烃，这为联合修复技术的应用提供了新思路[39]。

　　1.3.2 微生物-植物/动物联合修复技术

　　微生物-植物联合修复手段主要利用植物根系及其分泌物在促进根际微生物的生长繁殖与代谢，从而提高有机污染物的降解率[63]。微生物-植物联合修复可能会激活土壤酶的活性，提高有机污染物的降解率。有研究报道，以黑麦草联合StenotrophomonasstrainDXZ9修复被2，2-双(4-氯苯基)-1，1，1-三氯乙烷、2，2-双(4-氯苯基)-1，1，1-二氯乙烯污染的土壤的修复效果较好，表明与单一修复相比，联合修复可能具有更好的效果[64]。

　　除微生物-植物修复，还可以通过微生物-动物联合修复增加有机污染物的降解。以蚯蚓为主的土壤动物可以很好地疏松土壤，增加土壤的孔隙率，为微生物提供较好的生存环境;其排泄物及尸体作为养分促进了土壤微生物的生长;无论是大型还是小型的土壤动物都可以起到富集和转化有机污染物的作用。有研究发现土壤中加入线虫配合降解菌属B. megaterium作用，可以将降解菲的速率从(16±7)%提高到(22±2)%[65]。虽然微生物-植物/动物联合修复可以较好地处理有机污染土壤，但是目前许多工作仍停留在实验阶段，考虑到土壤的理化性质、温度、湿度等环境条件均有可能影响处理效果，该联合修复技术的机理仍有待探究。

　　1.3.3 微生物协同修复技术

　　细菌和真菌降解有机污染物的特性及途径虽然不同，但是二者之间可以起到很好的互补作用。真菌细菌协同作用在多介质、多界面、非均一性的土壤环境中发挥着重要作用[66]。在非饱和多相土壤环境下的研究发现，多环芳烃降解细菌自身迁移受到限制，真菌菌丝表面的液膜可以牵引细菌并帮助其在土壤环境中迁移[67]，同时真菌菌丝也可吸收多环芳烃，通过胞质流动转运土壤多环芳烃给降解细菌[68]。这种协同作用增强了污染物的生物可利用性从而促进其生物降解[69]。国内外主要通过富集培养土著微生物或不同菌株复配来研发高效降解有机物的微生物菌剂。微生物菌剂对环境污染物的降解效果好，因此全球都投入了巨额金钱与精力进行菌剂的研发，有效促进了该领域的发展。

　　1.4 场地有机污染物降解机理

　　化工污染场地典型有机污染物的降解过程中，微生物起主要作用。由于污染物的化学结构不同，微生物通过自身分泌酶、活性氧等物质将其转化成不同的代谢产物(如图2所示)。但是微生物分泌物如何对污染物进行修饰和转化仍然需要进一步的研究发现。

　　1.4.1 多环芳烃

　　选用2种真菌Pleurotus ostreatusD1和AgaricusbisporusF-8对蒽、菲这2种3环多环芳烃进行降解。在降解第1阶段，这2种有机物均转化为蒽醌、菲醌，随后的降解过程由真菌木质素降解复合酶决定。通过进一步实验发现，在仅有漆酶存在的条件下，代谢产物为蒽醌、菲醌两种。而在漆酶和多功能过氧化物酶同时存在的情况下，醌代谢产物进一步转化成基础代谢产物[71]，多环芳烃的真菌降解与胞外酶系密切相关。此外，在之前的许多研究中已经证实漆酶在多环芳烃降解过程中发挥着重要作用，在真菌体内及其生物系统，如细胞色素P450单加氧酶系统、活性氧的相互作用也对多环芳烃的降解起到促进作用[70]。

　　2有机污染场地修复面对的挑战

　　尽管上述物化修复技术和生物修复技术均能在一定程度上修复有机污染场地，但将其推广应用于实际场地中仍面临着挑战。这些挑战包括复杂的土壤环境以及微生物的局限性，例如新加入的微生物与土著微生物的竞争关系可能使修复效率降低，高分子量有机污染场地修复周期长，以及微生物广谱性差等。

　　3展　望

　　目前应用在实际场地中的修复技术仍以物理化学修复技术为主，虽然科研工作者广泛研究的生物修复技术能有效降低修复成本，但是修复周期长，场地环境条件复杂等满足不了当今社会快速发展的要求。因此为实现我国工业污染场地的绿色可持续发展，仍有许多更具发展潜力的研究工作亟待开展。

　　3.1 酶-菌固定化

　　有机污染场地生物修复原理主要有生物强化和生物刺激，目前国内外主要采用富集培养获得微生物和经典的设计验证的菌剂配伍方法来研发高效降解微生物菌剂，也有研究人员基于高通量分离培养和人工菌群设计技术来研发菌剂。此外，支撑生物修复的新微生物菌株和生物酶的获取也是目前生物修复技术的热点[99-102]。但是，有限的微生物资源和基于经典设计验证的菌剂配伍方法导致微生物菌剂面对复杂环境时适应性差、效能低等突出问题，亟需开发高效、持久、稳定的菌剂和酶制剂用于有机污染场地的生物修复。 酶是生物修复的核心，生物胞内、胞外不同形式的酶在污染物不同降解阶段发挥不同功效[71,74]，例如白腐真菌产生的漆酶迅速氧化苯并芘，形成代谢产物，水溶性增加。但是仅漆酶降解并不能将污染物完全矿化。

　　将漆酶加入经过14C标记的苯并芘污染土壤中，发现只有微量的苯并芘矿化是由漆酶修饰引起，大部分的苯并芘只降解为中间代谢产物或形成结合体留在土壤中[98]。此研究还发现经漆酶修饰后的土壤中生物多样性得到了恢复，这说明漆酶修复有利于土壤功能的恢复。20世纪末的研究工作表明[103-104]，真菌和细菌共培养可促进多环芳烃矿化，真菌转化可以被认为是分解多环芳烃的初始步骤，而细菌提供完整的酶来连续矿化代谢物。

　　此外，Dai等[60]研究发现漆酶与重质原油高效降解菌群经固定化后联合修复溢油污染潮间带100 d后，重油降解率达到66.5%，对饱和烃和芳烃的降解率分别为79.2%和78.7%。微生物活性提高、生物修复起动加快、提高了污染场地微生物相对丰度。因此，在现有工作的基础上对菌酶联合修复技术进行深入剖析将推动生物修复技发展。由此可见，在微生物菌剂使用过程中，通过固定化微生物技术获得的固态菌剂能显著增加微生物密度与生物活性，提高污染土壤的生物修复效率。因此，微生物固定化载体及其菌剂制备技术将是生物修复研究领域的热点。

　　4结　语

　　综述了有机污染场地的物化修复技术和生物修复技术，及其面临的挑战以及复杂场地环境对关键微生物的影响以及外加微生物与土著微生物之间的竞争。针对目前土壤生物修复面临的生物修复时间长、效果差和不稳定等挑战，提出开发长效、广谱的土壤生物修复复合菌剂/酶制剂、生物修复助剂和生物刺激剂，以及地下水缓释修复药剂是实现当前城市有机污染场地高效、低成本修复的发展趋势。

　　参考文献：

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　　【3】ZHANG H，MA D Y，QIU R L，etal. Non-thermalplasma technology for organic contaminated soilremediation：A review[J].Chemical EngineeringJournal，2017，313: 157-170.

　　作者：高大文1， 赵　欢1， 李　莹1， 唐　腾1， 白雨虹1， 向　韬2， 李钰琪2